《計算模擬應(yīng)用》課程教學(xué)大綱

1、計算模擬應(yīng)用課程教學(xué)大綱課程編號DB1524163課程名稱計算模擬應(yīng)用課程性質(zhì)專業(yè)選修課英文名稱Applications of Calculation and Simulation開課單位材料與化工學(xué)院面向?qū)I(yè)材料科學(xué)與工程授課語種漢語學(xué)分2總學(xué)時30理論學(xué)時20實驗學(xué)時討論學(xué)時上機(jī)學(xué)時10其他學(xué)時0開課學(xué)期第5學(xué)期先修課程線性代數(shù)、大學(xué)物理、材料科學(xué)基礎(chǔ)一、課程簡介本課程是材料類專業(yè)的一門重要的專業(yè)選修課。計算模擬應(yīng)用是溝通理論和實驗、微觀和宏觀的橋梁，在很大程度上促進(jìn)了材料科學(xué)研究和工程技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，目前各種層次和各種尺寸的計算模擬已經(jīng)成為材料研究的一種十分重要的方法。本課程首先概述了計

2、算模擬在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用，其次介紹了常用的數(shù)據(jù)處理與圖像處理方法、第一性原理計算、分子動力學(xué)模擬、有限元等量子力學(xué)、半經(jīng)驗、經(jīng)驗層次和納觀、微觀、介觀和宏觀尺度的模擬方法；最后通過實例介紹相關(guān)軟件在材料科學(xué)與工程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能預(yù)測、工藝優(yōu)化等實際應(yīng)用。二、課程目標(biāo)和基本要求通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠?qū)?shù)學(xué)，計算機(jī)信息科學(xué)等知識用于建模求解；運(yùn)用第一性原理、數(shù)學(xué)模型等方法正確表達(dá)復(fù)雜工程問題；選擇和使用恰當(dāng)?shù)膶I(yè)模擬分析軟件進(jìn)行計算模擬、數(shù)據(jù)分析、性能預(yù)測，并解釋相應(yīng)的局限性。具體目標(biāo)如下：1、能夠針對材料相關(guān)工程問題的具體對象，建立相應(yīng)的模型并求解；2、能夠?qū)⒉牧峡茖W(xué)相關(guān)知識和數(shù)學(xué)

3、模型用于材料的變形、硬度、缺陷等復(fù)雜工程問題解決方案的比較；3、能夠基于材料工程科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)材料相關(guān)性能。4、能夠針對材料相關(guān)復(fù)雜工程問題，選擇與使用恰當(dāng)?shù)膶I(yè)模擬分析軟件進(jìn)行材料檢測、數(shù)據(jù)分析、模擬與預(yù)測，并能夠分析其局限性。三、課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐情況課程目標(biāo)所支撐的畢業(yè)要求所支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)支撐權(quán)重11、工程知識1-2：能夠針對材料相關(guān)工程問題的具體對象，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并求解；0.221、工程知識1-4：能夠?qū)⒉牧峡茖W(xué)與工程專業(yè)知識和數(shù)學(xué)模型方法用于材料選取、工藝設(shè)計、檢測分析中涉及的復(fù)雜工程問題解決方案的比較與綜合。0.232、問題分析2-2：能夠基于自然

4、科學(xué)、工程科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)材料相關(guān)復(fù)雜工程問題；0.145、使用現(xiàn)代工具5-3：能夠針對材料相關(guān)復(fù)雜工程問題，開發(fā)或選用滿足特定需求的現(xiàn)代工具，進(jìn)行預(yù)測與模擬，并能夠理解其局限性。0.3教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求教學(xué)方法對應(yīng)課程目標(biāo)學(xué)時分配布置任務(wù)1、緒論1.1計算機(jī)技術(shù)發(fā)展簡介1.2計算模擬的基本概念、原理、層次和方法1.3計算模擬的意義能夠闡述常見的計算模擬方法、原理層次及其典型的應(yīng)用。PPT講授課堂提問2、3授課（2）作業(yè)12、Origin在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用2.1Origin軟件簡介2.2 Origin在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用2.3 Origin在圖形處理中的應(yīng)用能

5、夠運(yùn)用 Origin完成數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、賦值、擬合分析，以及二維圖的合并；并進(jìn)行相應(yīng)的局限性分析。PPT講授課堂提問4授課（4）3、第一性原理模擬3.1第一性原理和密度泛函理論簡介3.2 Materials Studio 軟件的介紹、安裝3.3利用 Visualizer建立模擬中的各種模型3.4 Materials Studio相關(guān)模塊的應(yīng)用3.5 VASP、Gaussian軟件的介紹能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)第一性原理和數(shù)學(xué)模型等方法闡述Materials Studi -o、VASP和Gaussian等常用軟件的基本原理，然后選用合適的模擬分析軟件表達(dá)材料的變形、硬度、缺陷等復(fù)雜工程問題，并分析相應(yīng)的局限性。

6、PPT講授課堂提問2、4授課（8）階段性測驗4、分子動力學(xué)模擬4.1分子動力學(xué)的基本方法4.2分子動力學(xué)在 Materials Studio中實現(xiàn)能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理和統(tǒng)計學(xué)等相關(guān)知識闡述分子動力學(xué)模擬的基本方法，表達(dá)材料的復(fù)雜工程問題。PPT講授課堂提問1、2授課（4）作業(yè)25、有限元5.1有限元的簡介5.2常見的有限元軟件及應(yīng)用能夠列舉常用的有限元軟件；運(yùn)用離散、差值的基本思想，保證精度和控制規(guī)模的建模原則建立相應(yīng)的模型并進(jìn)行分析。PPT講授課堂提問課堂討論1授課（2）計算機(jī)實驗1、Origin的數(shù)據(jù)處理及二維圖的合并能夠選用Origin專業(yè)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、圖形繪制、并分析相應(yīng)的局限性

7、。PPT講授現(xiàn)場演示實驗操作4實驗（2）計算機(jī)實驗2、Origin的圖形繪制能夠選用origin專業(yè)分析軟件繪制三維圖形并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。PPT講授現(xiàn)場演示實驗操作4實驗（2）計算機(jī)實驗3、搭建晶體的模型能夠運(yùn)用晶系、布拉菲格子、空間群等知識搭建模型、優(yōu)化和分析。PPT講授現(xiàn)場演示實驗操作1實驗（2）計算機(jī)實驗4、計算模擬晶體的力學(xué)性能能夠選用Materials Stu -dio專業(yè)模擬軟件搭建晶體模型、檢測晶體的模量、硬度等力學(xué)參數(shù)，并分析其局限性。PPT講授現(xiàn)場演示實驗操作1、2、4實驗（2）計算機(jī)實驗5、計算模擬晶體的電學(xué)性能能夠選用Materials Stu -dio專業(yè)模擬軟件搭建晶體

8、模型、檢測晶體的能帶、態(tài)密度等電學(xué)參數(shù)，并分析其局限性。PPT講授現(xiàn)場演示實驗操作1、3、4實驗（2）序號思想政治教育元素1通過介紹神威.太湖之光超級計算機(jī)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感。2通過介紹主流的計算模擬軟件關(guān)鍵程序大多由外國控制的現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)生的責(zé)任感、使命感和危機(jī)感。五、課程考核方式考核方式考核內(nèi)容對應(yīng)課程目標(biāo)評分依據(jù)考核占比階段性測驗針對材料相關(guān)工程問題的具體對象，建立相應(yīng)的晶體模型并求解。（1014分）1，3 分等級評分表法，分等級評分，評分標(biāo)準(zhǔn)見附錄25%計算模擬和表達(dá)材料的熱學(xué)性能。（1014分）結(jié)課論文能夠?qū)⒉牧峡茖W(xué)相關(guān)知識和數(shù)學(xué)模型用于材料的缺陷等復(fù)雜工程問題解決方案的比

9、較。（25分）2，4分等級評分表法，分等級評分，評分標(biāo)準(zhǔn)見附錄45%選擇與使用恰當(dāng)?shù)膶I(yè)模擬分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、模擬與預(yù)測，并能夠分析其局限性。（20分）實驗選用Origin進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入、賦值、擬合分析，二維和三維圖形繪制；選用Materials Studio的相關(guān)模塊搭建晶體模型，計算、模擬晶體的力學(xué)和電學(xué)性能、并分析相應(yīng)的局限性。（共30分）1，2，3，4分等級評分表法，分等級評分，評分標(biāo)準(zhǔn)見附錄30%六、教材名稱及主要參考書教材：侯懷宇，材料科學(xué)與工程中的計算機(jī)應(yīng)用，國防工業(yè)出版社,普通高等教育材料科學(xué)與工程“十二五”規(guī)劃教材，2015.6；教學(xué)參考書：吳興惠，現(xiàn)代材料計算與設(shè)計教程，

10、電子工業(yè)出版社,2002.6；徐瑞，材料科學(xué)中數(shù)值模擬與計算，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005.04；K. Ohno, K. Esfarjani, K. Kawazoe, Computational Materials Science, Springer, 1999, 1。附錄：各類考核評分標(biāo)準(zhǔn)表階段性測試評分標(biāo)準(zhǔn)課程目標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)100-90分89-80分79-70分69-60分59-0分課程目標(biāo)1：能夠針對材料相關(guān)工程問題的具體對象，建立相應(yīng)的模型并求解。能夠針對材料相關(guān)工程問題的具體對象，建立相應(yīng)的模型并求解；選題合理且新穎，邏輯思維清晰，表述內(nèi)容全面。能夠針對材料相關(guān)工程問題的具體對象，建

11、立相應(yīng)的模型并求解；選題比較合理，邏輯思維比較清晰，表述內(nèi)容比較全面。能夠針對材料相關(guān)工程問題的具體對象，建立相應(yīng)的模型并求解；選題基本合理，邏輯思維基本清晰，表述內(nèi)容基本全面。能夠針對材料相關(guān)工程問題的具體對象，建立相應(yīng)的模型并求解。未能建立模型，未提出有效觀點(diǎn)，剽竊抄襲。課程目標(biāo)3：能夠基于材料工程科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)材料相關(guān)性能。能夠基于材料工程科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)材料相關(guān)性能；問題分析透徹，表述內(nèi)容全面。能夠基于材料工程科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)材料相關(guān)性能；問題分析比較透徹，表述內(nèi)容比較全面。能夠基于材料工程科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)材料相關(guān)性能；問題分析

12、基本透徹，表述內(nèi)容基本全面。能夠基于材料工程科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)材料相關(guān)性能。未能表達(dá)相關(guān)性能，剽竊抄襲。結(jié)課論文評分標(biāo)準(zhǔn)課程目標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)100-90分89-80分79-70分69-60分59-0分課程目標(biāo)2：能夠?qū)⒉牧峡茖W(xué)相關(guān)知識和數(shù)學(xué)模型用于材料的變形、硬度、缺陷等復(fù)雜工程問題解決方案的比較。能夠?qū)⒉牧峡茖W(xué)相關(guān)知識和數(shù)學(xué)模型用于材料的變形、硬度、缺陷等復(fù)雜工程問題解決方案的比較；選題合理且新穎，文獻(xiàn)調(diào)研充分，論證思路清晰。能夠?qū)⒉牧峡茖W(xué)相關(guān)知識和數(shù)學(xué)模型用于材料的變形、硬度、缺陷等復(fù)雜工程問題解決方案的比較；選題比較合理，文獻(xiàn)調(diào)研比較充分，論證思路比較清晰。能夠?qū)⒉牧峡茖W(xué)相關(guān)知識

13、和數(shù)學(xué)模型用于材料的變形、硬度、缺陷等復(fù)雜工程問題解決方案的比較；選題基本合理，文獻(xiàn)調(diào)研基本充分，論證思路基本清晰。能夠?qū)⒉牧峡茖W(xué)相關(guān)知識和數(shù)學(xué)模型用于材料的變形、硬度、缺陷等復(fù)雜工程問題解決方案的比較。未能將材料科學(xué)相關(guān)知識和數(shù)學(xué)模型用于材料的變形、硬度、缺陷等復(fù)雜工程問題解決方案的比較；未交論文，剽竊抄襲，學(xué)術(shù)造假。課程目標(biāo)4：能夠針對材料相關(guān)復(fù)雜工程問題，選擇與使用恰當(dāng)?shù)膶I(yè)模擬分析軟件進(jìn)行材料檢測、數(shù)據(jù)分析、模擬與預(yù)測，并能夠分析其局限性。能夠針對材料相關(guān)復(fù)雜工程問題，選擇與使用恰當(dāng)?shù)膶I(yè)模擬分析軟件進(jìn)行材料檢測、數(shù)據(jù)分析、模擬與預(yù)測，并能夠深入分析其局限性；選題合理且新穎，文獻(xiàn)調(diào)研充

14、分，論證思路清晰。能夠針對材料相關(guān)復(fù)雜工程問題，選擇與使用恰當(dāng)?shù)膶I(yè)模擬分析軟件進(jìn)行材料檢測、數(shù)據(jù)分析、模擬與預(yù)測，并能夠分析其局限性；選題比較合理，文獻(xiàn)調(diào)研比較充分，論證思路比較清晰。能夠針對材料相關(guān)復(fù)雜工程問題，選擇與使用恰當(dāng)?shù)膶I(yè)模擬分析軟件進(jìn)行材料檢測、數(shù)據(jù)分析、模擬與預(yù)測，并能夠分析其局限性；選題基本合理，文獻(xiàn)調(diào)研基本充分，論證思路基本清晰。能夠針對材料相關(guān)復(fù)雜工程問題，選擇與使用恰當(dāng)?shù)膶I(yè)模擬分析軟件進(jìn)行材料檢測、數(shù)據(jù)分析、模擬與預(yù)測，并能夠分析其局限性。未能選擇與使用恰當(dāng)?shù)膶I(yè)模擬分析軟件進(jìn)行材料檢測、數(shù)據(jù)分析、模擬與預(yù)測，未能夠分析其局限性；未交論文，剽竊抄襲，學(xué)術(shù)造假。實驗評

15、分標(biāo)準(zhǔn)課程目標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)100-90分89-80分79-70分69-60分59-0分課程目標(biāo)1：能夠針對材料相關(guān)工程問題的具體對象，建立相應(yīng)的模型并求解。能夠針對材料相關(guān)工程問題的具體對象，建立相應(yīng)的模型并求解；實驗操作規(guī)范，分析合理且討論深入。能夠針對材料相關(guān)工程問題的具體對象，建立相應(yīng)的模型并求解；實驗操作比較規(guī)范，分析比較合理。能夠針對材料相關(guān)工程問題的具體對象，建立相應(yīng)的模型并求解；實驗操作基本規(guī)范，分析基本合理。能夠針對材料相關(guān)工程問題的具體對象，建立相應(yīng)的模型并求解。未建立相應(yīng)的模型并求解；未參加實驗，剽竊抄襲，數(shù)據(jù)造假，未提交實驗報告。課程目標(biāo)2：能夠?qū)⒉牧峡茖W(xué)相關(guān)知識和數(shù)學(xué)模型用

16、于材料的變形、硬度、缺陷等復(fù)雜工程問題解決方案的比較。能夠?qū)⒉牧峡茖W(xué)相關(guān)知識和數(shù)學(xué)模型靈活用于材料的變形、硬度、缺陷等復(fù)雜工程問題解決方案的比較；實驗操作規(guī)范，分析合理且討論深入。能夠?qū)⒉牧峡茖W(xué)相關(guān)知識和數(shù)學(xué)模型用于材料的變形、硬度、缺陷等復(fù)雜工程問題解決方案的比較；實驗操作比較規(guī)范，分析比較合理。能夠?qū)⒉牧峡茖W(xué)相關(guān)知識和數(shù)學(xué)模型用于材料的變形、硬度、缺陷等復(fù)雜工程問題解決方案的比較；實驗操作基本規(guī)范，分析基本合理。能夠?qū)⒉牧峡茖W(xué)相關(guān)知識和數(shù)學(xué)模型用于材料的變形、硬度、缺陷等復(fù)雜工程問題解決方案的比較。未能將材料科學(xué)相關(guān)知識和數(shù)學(xué)模型用于材料的變形、硬度、缺陷等復(fù)雜工程問題解決方案的比較；未參

17、加實驗，剽竊抄襲，數(shù)據(jù)造假，未提交實驗報告。課程目標(biāo)3：能夠基于材料工程科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)材料相關(guān)性能。能夠基于材料工程科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)材料相關(guān)性能；實驗操作規(guī)范，分析合理且討論深入。能夠基于材料工程科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)材料相關(guān)性能；實驗操作比較規(guī)范，分析比較合理。能夠基于材料工程科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)材料相關(guān)性能；實驗操作基本規(guī)范，分析基本合理。能夠基于材料工程科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)材料相關(guān)性能。未能正確表達(dá)材料相關(guān)性能；未參加實驗，剽竊抄襲，數(shù)據(jù)造假，未提交實驗報告。課程目標(biāo)4：能夠針對材料相關(guān)復(fù)雜工程問題，選擇與使用恰當(dāng)?shù)膶I(yè)模擬分析軟件進(jìn)行材料檢測、數(shù)據(jù)分析、模擬與預(yù)測，并能夠分析其局限性。能夠針對材料相關(guān)復(fù)雜工程問題，正確選擇與使用恰當(dāng)?shù)膶I(yè)模擬分析軟件進(jìn)行材料檢測、數(shù)據(jù)分析、模擬與預(yù)測，并能夠深入分析其局限性；實驗操作規(guī)范，分析合理且討論深入。能夠針對